Bercakap kepada pelajar sekolah menengah yang bersedia untuk peperiksaan sains, dan mungkin anda akan mendengar dua perkara: mereka takut dengan fizik, dan agak selesa dengan biologi. Anehnya, ini bertentangan dengan pandangan kebanyakan penyelidik.

Bercakap kepada pelajar sekolah menengah yang bersedia untuk peperiksaan sains, dan mungkin anda akan mendengar dua perkara: mereka takut dengan fizik, dan agak selesa dengan biologi. Anehnya, ini bertentangan dengan pandangan kebanyakan penyelidik. Zeitgeist saintifik adalah bahawa fizik mudah. Kesederhanaannya berasal dari keupayaan untuk membuat teori-teori kristal yang sangat ramalkan, untuk segala-galanya dari kewujudan zarah-zarah subatomik bagaimana cahaya membelit bintang-bintang. Biologi, sebaliknya, jauh lebih sukar untuk disamakan dengan teorem elegan dan persamaan matematik. Oleh sebab itu, ada beberapa pemikir yang terkenal berhujah sel-sel dan hutan-hutan ini sukar difahami daripada lubang-lubang hitam yang jauh dan sukar.

Tetapi mungkin tidak ada perkara seperti disiplin yang mudah atau sukar. Mungkin hanya ada soalan mudah dan sukar. Biologi sahaja seolah-olah sangat sukar kerana ia telah ditakrifkan oleh satu set soalan yang sangat sukar. Fizik sahaja seolah-olah mudah kerana berabad-abad usaha oleh pemikir yang mendalam telah menghasilkan satu set soalan yang boleh dipertanggungjawabkan.

Apa yang membuat biologi begitu mencabar, ironinya, adalah keakraban kita. Tanya diri anda: siapa yang 'lebih mudah' untuk difahami - menghancurkan romantis atau rakan sekerja? Keintiman kami dengan biologi - serta psikologi dan sains sosial - telah membawa kita untuk menginterogasi fenomena ini dengan pengetahuan mendalam yang sudah ada. Kami meminta soalan yang sangat terperinci, dan kemudian kami terkejut dengan jawapan yang misteri atau bercanggah.

Di berjalan kaki melalui hutan, kita mungkin melihat bentuk-bentuk duri yang luar biasa di atas pokok maple. Ini mungkin menyebabkan kita tertanya-tanya mengapa daun mempunyai lobak, mengapa mereka berubah merah pada musim gugur, serangga apa yang hidup di sampah daun, dan bagaimana mereka mengurai dan memberi makan kepada tanah. Persoalan-persoalan ini adalah rumit yang rumit, walaupun sifat semula jadi yang kami tanyakan kepada mereka. Sebaliknya, ruang kosong ruang yang sejuk dan kekurangan kuark yang tidak dapat diselesaikan begitu asing kepada kita bahawa kita bangga - sekurang-kurangnya pada awalnya - untuk mengatakan perkara paling mudah mengenai entiti ini, walaupun hanya untuk menunjukkan bahawa mereka wujud.

Keintiman kadang-kadang perlahan pemahaman kita dalam fizik juga. Persoalan bagaimana planet bergerak adalah salah satu obsesi tertua manusia, dan berjalan melalui banyak mitologi yang berbeza. Namun, terima kasih kepada penyerapan diri spesies kami, teori epiksi lama yang telah lama meletakkan Bumi di tengah-tengah Alam Semesta - kesilapan yang berterusan selama sekitar 2,000. Apabila persoalan itu digambarkan pada perkara-perkara yang berkuatkuasa, jisim dan graviti dalam fizik Newtonian, gerakan planet menjadi lebih mudah untuk diramalkan dan difahami.

Masih terdapat banyak persoalan yang sukar bagi ahli fizik untuk teka-teki. Sekiranya fizik menyandarkan reputasinya untuk meramalkan suar solar seterusnya yang boleh mengganggu telekomunikasi di Bumi, ia akan dilihat sebagai disiplin yang lebih rumit dan sukar. Mengapa? Oleh kerana memodelkan banyak mekanisme yang menghasilkan dinamik permukaan Matahari - semua proses graviti, elektromagnetik, terma dan nuklear yang terlibat - sangat rumit. Bagi usul planet, kita dapat memperoleh gambaran yang baik tentang trajektori planet dengan mengiktiraf bahawa kebergantungan Matahari kita membolehkan kita mengabaikan pengaruh badan-badan syurga yang lain. Tetapi jika kita benar-benar mahu menghadiri butir-butir ini, kita akan mendapati bahawa kita tidak boleh meramalkan gerakan tiga badan yang sama rata. Begitu juga, dengan teori huru hara, kita mengetahui bahawa kita boleh membuat hanya meneka kasar mengenai kedudukan khusus dua pendulik yang gerakannya digabungkan bersama. Walau bagaimanapun, kita tidak boleh mengatakan dengan pasti di mana sama ada bandul akan berlaku.

Pmembantah soalan-soalan yang kita telah menuntut biologi terlalu sukar. Bagaimanakah kita menyelamatkan nyawa manusia? Mengapa biru ini lebih gelap daripada yang lain? Tetapi hanya kerana kita menuntut lebih banyak daripada biologi tidak bermakna kita tidak boleh menimbulkan persoalan yang lebih mudah. Sebenarnya, lukisan fizik 'mudah' boleh membantu kita memikirkan cara untuk mencari soalan-soalan itu. Pakar fizik sangat baik mencari fenomena berskala besar dan berskala besar yang diguna pakai merentas pelbagai sistem dan kemungkinan hasil daripada mekanisme mudah dan berkongsi.

Ambil idea biologi skala. Konsep ini berpunca daripada pemerhatian awal bahawa kadar metabolisme mamalia bergantung pada ramalan dan tidak linear pada saiz badan melalui kuasa undang-undang. Undang-undang kuasa adalah hubungan matematik yang memberitahu kita berapa banyak ciri yang berubah apabila saiz sistem meningkat dengan pesanan magnitud (iaitu, dengan bilangan gandaan tertentu, biasanya 10). Oleh itu, apabila jisim badan makhluk meningkat oleh 1,000-kali ganda, prinsip-prinsip skala biologi dengan tepat meramalkan bahawa kadar metaboliknya akan meningkatkan 100-fold.

Tetapi bagaimanakah matematik yang sama boleh digunakan untuk sesuatu yang semudah tarikan graviti di antara dua objek dan proses spesiasi yang merosakkan di pelbagai habitat? Dalam fizik, undang-undang kuasa menunjukkan kepada mekanisme dan simetri yang dikongsi yang beroperasi di semua skala. Dalam biologi, kita sendiri penyelidikan - dan juga Bahawa Geoffrey B West, James H Brown, dan Brian J Enquist - menunjukkan bahawa mekanisme asas di tempat kerja adalah struktur dan aliran rangkaian vaskular. Ternyata bahawa pembuluh darah cenderung menguasai badan dengan cepat dan menyampaikan sumber kepada semua sel makhluk sambil mengurangkan ketegangan di hati. Wawasan mudah ini telah melahirkan kumpulan teori berjaya yang menggunakan idea struktur biologi yang optimum untuk meramal fenomena seperti pengedaran pokok-pokok di dalam hutan, berapa lama kita perlu tidur, kadar pertumbuhan a tumor, yang terbesar dan terkecil saiz bakteria, dan pokok tertinggi yang mungkin dalam mana-mana persekitaran.

Bagaimanapun, biologi juga boleh menimbulkan persoalan uniknya sendiri. Contohnya, sebagai rakan sekerja kami Jessica Flack and David Krakauer di Institut Santa Fe telah menunjukkan, keupayaan memproses maklumat dan membuat keputusan agen (seperti primata, neuron dan acuan lendir) membawa kepada jenis maklum balas yang unik, penyesuaian dan penyebab yang berbeza daripada sistem fizikal semata-mata. Masih dapat dilihat jika kompleksiti tambahan sistem biologi dapat dijelaskan dengan mengembangkan perspektif yang diilhami fisika seperti teori maklumat. Mungkin penyelidikan biologi dan sistem kompleks secara amnya akan berkembang satu hari kepada soalan-soalan yang sukar dipertahankan - atau bahawa pemulangan soalan yang brilian akan membawa kepada penghapusan cabaran semasa. Ini mungkin menunjukkan laluan kepada jawapan yang lebih mudah, seperti yang dilakukan oleh Charles Darwin dengan mengubah soalan mengenai asal-usul dan kepelbagaian kehidupan dari segi pemilihan semula jadi dan variasi.

Kerumitan sistem diukur di sepanjang dua paksi: 1) terperinci dan ketepatan yang diperlukan oleh penerangan saintifik; 2) bilangan mekanisme digabungkan dalam fenomena tertentu. Sains yang paling sukar menanyakan soalan terperinci tentang sistem yang terdiri daripada banyak mekanisme.

Di dalam bukunya artikel 'Lebih Berbeza' (1972), ahli fizik Philip Anderson menonjolkan bahaya cuba mengurangkan segala-galanya ke tahap yang paling mikroskopik. Beliau memberi tumpuan kepada melompat dalam kerumitan yang berlaku pada pelbagai skala fenomena semulajadi - seperti bergerak dari mekanik kuantum kepada kimia. Walau bagaimanapun, pembaca sering mengabaikan hujahnya bahawa teori yang berkesan sepatutnya dibina pada blok bangunan yang menerangkan mekanisme asas sistem - walaupun blok bangunan itu adalah entiti yang agak besar atau sederhana.

Membina perspektif terakhir ini, hujah kami ialah kami tidak tahu jika lubang hitam lebih mudah daripada hutan. Kami tidak boleh Ketahui, hingga kita mempunyai teori efektif umum yang menjelaskan kewujudan hutan atau hingga kita dapat melihat dinamika keruntuhan lubang hitam dan penyejatan yang paling terperinci. Kenyataan kerumitan relatif tidak dapat dibuat tanpa mendefinisikan jenis soalan yang kita minta untuk setiap sistem. Mungkin terdapat beberapa jenis pertanyaan di mana pengetahuan kita akan memukul kelebihan keras, tetapi lebih kerap itulah mengenai soalan yang kita persoalkan daripada sistem sendiri.

Jadi fizik boleh menjadi keras, dan biologi boleh menjadi mudah. Tahap kesukaran bergantung pada soalan yang ditanya daripada di lapangan.

Dalam sains kompleks sistem, kemajuan yang besar sering dibuat di antara kedua-dua perspektif ini. Satu jalan ke hadapan adalah untuk menyelesaikan soalan-soalan mudah dahulu, dan kemudian gunakan jawapan kami untuk mencuba untuk mencari prinsip-prinsip yang berguna ketika datang kepada soalan-soalan dan teori-teori yang lebih terperinci. Ada kemungkinan bahawa dengan memulakan dengan soalan-soalan mudah, kita boleh perlahan-lahan 'membina' kepada yang sukar.

Atau, dalam arah yang bertentangan, memerhatikan kesamaan fenomena aneh di seluruh disiplin mungkin mendorong kita untuk mencari mekanisme dan prinsip baru. Ini kadang-kadang akan memerlukan perspektif yang kurang terperinci dan lebih abstrak - apa yang rakan sekerja kami John Miller, memetik ahli fizik prizewinning Nobel Murray Gell-Mann, membincangkan dalam bukunya A Look Crude di Whole (2016). Ini kelihatan mentah - dipaksa oleh keterpencilan fizik, dan dikaburkan oleh keintiman biologi - harus menghasilkan banyak pemahaman yang mendalam dan penyederhanaan dalam sains di tahun-tahun yang akan datang.

Tentang Pengarang

Chris Kempes adalah seorang profesor di Santa Fe Institute, yang bekerja di persimpangan fizik, biologi, dan sains bumi.

Van Savage adalah profesor dalam ekologi, biologi evolusi dan biomatematik di University of California, Los Angeles.

Artikel ini pada asalnya diterbitkan pada Aeon dan telah diterbitkan semula di bawah Creative Commons. Diterbitkan bersekutu dengan Institut Santa Fe, Rakan Strategik Aeon.

Buku-buku yang berkaitan

at InnerSelf Market dan Amazon